XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHIẾT XUẤT PECTIN VÀ ẢNH …

Vietnam J. Agri. Sci. 2021, Vol. 19, No. 6: 795-806 Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2021, 19(6): 795-806 www.vnua.edu.vn

795

XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHIẾT XUẤT PECTIN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN CHIẾT

XUẤT ĐẾN ĐỘ ESTE HÓA CỦA PECTIN TỪ VỎ QUẢ CHANH DÂY TÍA (Passiflora edulis Sims.)

Nguyễn Trọng Thăng*, Lê Minh Nguyệt

Khoa Công nghệ thực phẩm, Học viện Nông nghiệp Việt Nam

*Tác giả liên hệ: [email protected]

Ngày nhận bài: 03.03.2021 Ngày chấp nhận đăng: 10.05.2021

TÓM TẮT

Vỏ quả chanh dây chiếm tỉ lệ rất cao trong tổng khối lượng quả. Vì vậy, tận dụng được nguồn phụ phẩm này để

chiết xuất pectin sẽ vừa tạo ra được sản phẩm có giá trị ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm vừa góp phần

giải quyết được vấn đề môi trường. Nghiên cứu này nhằm tìm ra điều kiện tối ưu để chiết xuất pectin từ vỏ quả

chanh dây tía và đánh giá ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến độ este hóa của pectin. Sử dụng thiết kế phức

hợp trung tâm với phương pháp bề mặt đáp ứng, nghiên cứu cũng đã tìm được mô hình bậc 2 hoàn toàn phù hợp

với quá trình chiết xuất pectin từ vỏ quả chanh dây. Kết quả cho thấy điều kiện tối ưu để chiết xuất pectin từ vỏ

chanh dây như sau: nồng độ axit citric 8,00%, nhiệt độ 82,14C, thời gian 81,07 phút và hiệu suất thu hồi đạt

24,42%. Pectin chiết xuất ở điều kiện tối ưu này có đặc tính hóa lý: đương lượng 586,92 ± 17,55; độ este hóa 38,76

± 1,52%; chỉ số methoxyl 3,94 ± 0,13%; hàm lượng axit anhydrouronic 76,58 ± 1,19%. Đây là đặc tính phù hợp với

mục đích tạo màng bảo quản, mở ra một hướng ứng dụng tiềm năng cho loại pectin này. Thêm vào đó, độ este hóa

của pectin phụ thuộc vào điều kiện chiết xuất khác nhau.

Từ khóa: Pectin, tối ưu hóa, chanh dây tía, sự este hóa, chiết xuất.

Optimization of Pectin Extraction and Effect of Extraction Conditions on Esterification of Pectin from Purple Passion Fruit Peel (Passiflora edulis Sims.)

ABSTRACT

Passion fruit peel accounts for a very high percentage of the total fruit weight. Therefore, taking advantage of

this by-product source to extract pectin will both create valuable products for application in the food industry and

contribute to solving environmental problems. This study aimed to find the optimal conditions for extracting pectin

from the peels of purple passion fruit and to evaluate the effect of extraction conditions on the degree of esterification

of pectin. Using a central composite design (CCD) with a response surface methodology (RSM), the results showed

that the generated quadratic model adequately explained the data variation and significantly represented the actual

relationship between the independent variables and the responses. This study also found the optimal conditions to

extract pectin from passion fruit peels as follows: citric axit concentration of 8.00%, temperature of 82.14C and

extraction time of 81.07 min for the highest yield of pectin (24.42%). The pectin extracted under the optimum

conditions had the following physicochemical properties: equivalent weight (EW) of 586.92 ± 17.55; degree of

esterification (DE) of 38.76 ± 1.52 %; methoxyl index (MI) of 3.94 ± 0.13 %; total anhydrouronic acid content (AUA) of

76.58 ± 1.19 %. These characteristics are suitable for the purpose of edible film making, opening up a potential

application for this pectin. In addition, the extraction conditions had a marked effect on the degree of esterification of

pectin from purple passion fruit peel.

Keywords: Pectin, optimization, passion fruit peel, degree of esterification, extraction.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Pectin là một trong những polysaccharide

quan trọng nhất và được ứng dụng rộng rãi trong

ngành công nghiệp thực phẩm với vai trò là chất

tạo gel, chất ổn định, chất tạo đông… (Oliveira &

cs., 2016). Pectin là một polymer của các axit

galacturonic và các este methyl của chúng, các

Xác định điều kiện tối ưu chiết xuất pectin và ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến độ este hóa của pectin từ vỏ quả chanh dây tía (Passiflora edulis Sims)

796

đơn phân tử D-galacturonic liên kết với nhau

bằng liên kết -(1-4)-glycosidic (Van Buren &

cs., 1991). Pectin chiết xuất từ các nguồn nguyên

liệu khác nhau sẽ khác nhau về khối lượng phân

tử, độ este hóa, chỉ số methoxyl, acetyl… do đó

chúng sẽ sở hữu những thuộc tính chức năng

khác nhau (Girma & cs., 2016).

Nguồn nguyên liệu chính để sản xuất pectin

trên thị trường hiện nay là bã táo tây và vỏ quả

họ cam quýt. Trong khi đó, vỏ chanh dây là

nguồn nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, lượng phụ

phẩm này ngày càng lớn do sự tăng trưởng

nhanh chóng của diện tích trồng và các nhà máy

chế biến các sản phẩm từ quả chanh dây. Theo

Cục Trồng trọt thống kê, đến năm 2019 tổng

diện tích chanh dây cả nước đạt khoảng

10.500ha, sản lượng quả tươi đạt hơn 222.000

tấn. Hơn nữa, theo Tran Hiep & cs. (2020), vỏ

quả chanh dây ở Sơn La chiếm tới 41,1% tổng

khối lượng quả. Vì vậy, tận dụng được nguồn

phụ phẩm này để chiết xuất pectin sẽ vừa tạo ra

được sản phẩm có giá trị ứng dụng trong ngành

công nghệ thực phẩm vừa góp phần giải quyết

được vấn đề môi trường.

Câu hỏi đặt ra là làm sao để chiết xuất được

pectin với hàm lượng cao nhất. Trong quá trình

chiết xuất không thể tách rời từng yếu tố, vì vậy

nếu nghiên cứu đơn yếu tố như một số nghiên

cứu đã thực hiện thì hiệu quả chiết xuất sẽ

thấp. Nên tối ưu hóa điều kiện chiết xuất bằng

phương pháp bề mặt đáp ứng là giải pháp đã

được chứng minh có hiệu quả. Trong đó, nồng độ

dung môi, nhiệt độ và thời gian chiết xuất là các

biến độc lập, hàm mục tiêu là hiệu suất thu hồi

pectin. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này

là có thể đánh giá được sự tương tác đồng thời

của các yếu tố thí nghiệm mà chỉ cần thực hiện

số nghiệm thức không quá lớn. Hơn nữa,

phương pháp này áp dụng các thuật toán về tối

ưu và thống kê nên việc phân tích số liệu chính

xác và rõ ràng hơn.

Thêm vào đó, việc ứng dụng pectin còn phụ

thuộc vào đặc tính hóa lý của nó. Trong đó, DE là

chỉ số rất quan trọng của pectin. Chỉ số DE biểu

hiện mức độ este hóa, là phần trăm số gốc axit

galacturonic bị este hóa trên tổng số axit

galacturonic trong phân tử (Food Chemical

Codex - (FCC V, 2004b)). Dựa vào chỉ số DE,

pectin được chia thành 2 nhóm chính: Pectin có

độ este cao với DE > 50% và pectin có độ este

thấp với DE ≤ 50% (Thakur & cs., 1997). Chỉ số

này sẽ quyết định tính chất gel và chức năng của

pectin. Theo Levigne & cs. (2002), hiệu suất thu

hồi và tính chất của pectin phụ thuộc vào quá

trình trích ly và tinh sạch. Vì vậy, xác định được

ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến độ este

hóa sẽ rất có ý nghĩa cho việc lựa chọn điều kiện

chiết xuất phù hợp với mục đích sử dụng pectin.

Mục đích của nghiên cứu này là tìm ra mối

quan hệ giữa các biến (nồng độ axit citric, nhiệt

độ, thời gian chiết xuất) và hàm mục tiêu (hiệu

suất thu hồi pectin), từ đó xác định được điều

kiện tối ưu chiết xuất pectin từ vỏ chanh dây

tía. Đồng thời, nghiên cứu cũng nhằm đánh giá

ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến độ este

hóa của pectin từ vỏ quả chanh dây tía.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Vật liệu

Nguyên liệu được sử dụng để chiết xuất

pectin là vỏ quả chanh dây tía (Passiflora edulis

Sims.) trồng tại tỉnh Sơn La, phụ phẩm của quy

trình chế biến nước ép chanh dây cô đặc. Tất cả

các hóa chất được sử dụng là hóa chất tinh khiết

thương mại có xuất xứ Đức, Ấn Độ, Trung Quốc.

Pectin thị trường của hãng HiMedia (Ấn Độ).

2.2. Phương pháp

2.2.1. Chiết xuất pectin

* Chuẩn bị mẫu chiết xuất pectin từ vỏ

chanh dây theo phương pháp của Girma & cs.

(2016). Vỏ chanh dây sau khi làm sạch loại bỏ

bụi bẩn được cắt lát mỏng, rồi sấy khô đến khối

lượng không đổi ở nhiệt độ 60C (độ ẩm 9%).

Sau đó, mẫu được nghiền nhỏ đến kích thước 60

mesh. Mẫu bột này được bao gói trong túi zip

PE và bảo quản ở nhiệt độ -18 ± 2C đến khi sử

dụng. Đây là mẫu nguyên liệu cho tất cả các thí

nghiệm chiết xuất và phân tích.

* Chiết xuất pectin theo quy trình có sửa

đổi của Ranganna & cs. (2001). Bột vỏ chanh

dây được cân khối lượng (Bi), cho vào bình tam

giác, sau đó dung môi (axit citric) với các nồng

Nguyễn Trọng Thăng, Lê Minh Nguyệt

797

độ theo yêu cầu được thêm vào theo tỉ lệ nguyên

liệu/dung môi 1:20 (w/v), khuấy trộn rồi ngâm

để nguyên liệu phân tán đều trong dung môi.

Sau đó, tiến hành nâng nhiệt và giữ nhiệt theo

nhiệt độ và thời gian yêu cầu của các nghiệm

thức. Tiếp theo, lọc và rửa bã để thu dịch chiết

pectin. Dịch chiết này được kết tủa với ethanol

96% theo tỉ lệ 1:2 (v/v) và để yên trong 3h.

Pectin nổi lên được tách ra bằng giấy lọc và rửa

lại bằng ethanol 70% và ethanol 96%. Bước tiếp

theo, mẫu pectin được sấy khô ở nhiệt độ 45C

trong 15h. Cuối cùng, pectin được nghiền nhỏ

thành dạng bột có kích thước 60 mesh.

Hiệu suất thu hồi pectin được tính bằng

công thức sau:

Ypec (%) = (P/Bi) × 100

Trong đó:

P: là khối lượng pectin chiết xuất được (g);

Bi: là khối lượng nguyên liệu ban đầu (g).

2.2.2. Thiết kế thí nghiệm tối ưu hóa và

phân tích thống kê

Thiết kế phức hợp trung tâm (CCD) với 3

biến độc lập được lựa chọn: nồng độ axit citric,

nhiệt độ và thời gian chiết xuất. Đây là 3 yếu tố

có ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả chiết xuất

pectin, đồng thời dựa vào các kết quả đã công bố

quốc tế của Fakayode & cs. (2018); Kliemann &

cs. (2009); Kanmani & cs. (2014), mỗi yếu tố làm

ở 5 mức khác nhau (-, -1, 0, +1, + ). Các điều

kiện thí nghiệm, các mức yếu tố được mô tả như

bảng 1.

Chọn phương án quy hoạch trực giao cấp 2,

thực nghiệm yếu tố toàn phần TYT 2k. Số

nghiệm thức N = 2k + 2k + n (trong đó k là số

yếu tố thí nghiệm, k = 3, n là số lần lặp lại tại

điểm trung tâm, n = 6). Khoảng cách từ tâm đến

điểm sao = 2k/4 ( = 1,68 với k = 3). Như vậy,

trong nghiên cứu này, 20 thí nghiệm sẽ được

thực hiện với 23 số thí nghiệm của quy hoạch

toàn phần, 6 thí nghiệm lặp lại tại tâm để đánh

giá sai số và 6 thí nghiệm bổ sung tại điểm sao

nằm cách vị trí tâm thực nghiệm một khoảng ±

. Dựa vào việc mã hóa các mức yếu tố trên, sử

dụng thiết kế phức hợp trung tâm (RSM-CCD)

với hàm mục tiêu là hiệu suất thu hồi pectin (y)

thu được bảng ma trận thực nghiệm với 20

nghiệm thức như bảng 2.

Phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) được

sử dụng để tối ưu hóa điều kiện chiết xuất

pectin từ vỏ chanh dây tía. Điều kiện tối ưu ở

đây là sự phối hợp đồng thời của 3 yếu tố thí

nghiệm cho hiệu suất thu hồi pectin cao nhất.

Bài toán đặt ra là tối ưu hóa bằng thực nghiệm

quá trình chiết tách pectin có dạng như sau:

Ymax = f(X1, X2, X3)

Mô hình thống kê biễu diễn sự phụ thuộc của

hiệu suất thu hồi pectin vào các yếu tố thí nghiệm

là một phương trình đa thức bậc hai có dạng:

3 3 2 32

0 i i ii i ij i ji 1 i 1 i 1 j 1 1

Y b b X b X b X X

Trong đó:

Y: hàm mục tiêu - hiệu suất thu hồi

pectin (%);

b0: hệ số hồi quy bậc 0;

Xi: nhân tố độc lập thứ i ảnh hưởng đến

hàm mục tiêu Y;

bi: hệ số hồi quy bậc 1 mô tả ảnh hưởng của

nhân tố Xi tới hàm mục tiêu Y;

bii: hệ số hồi quy tương tác mô tả ảnh hưởng

của yếu tố Xi tới Y;

bij: hệ số hồi quy tương tác mô tả ảnh hưởng

đồng thời của Xi và Xj tới Y.

Bảng 1. Các mức của yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố ảnh hưởng Biến mã Đơn vị Các mức các yếu tố

- -1 0 +1 +

Nồng độ axit citric A % 6,6 8 10 12 13,4

Nhiệt độ B C 71,6 75 80 85 88,4

Thời gian C phút 56,4 70 90 110 123,6


798

Mô hình và phương trình hồi quy được kiểm

tra mức độ phù hợp với thực nghiệm bằng kiểm

định Fisher ( = 0,05) và sự thiếu phù hợp

(Lack of fit). Sử dụng phương pháp bình phương

tối thiểu để tìm các hệ số b của phương trình hồi

quy. Kiểm định Student (t-test) được sử dụng để

kiểm định mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy b

(P = 0,05). Phân tích phương sai được dùng để

đánh giá mức ý nghĩa của mô hình. Sử dụng

phương pháp hàm kì vọng trên phần mềm quy

hoạch thực nghiệm Design-Expert 11 (Stat-

Ease, Minneapolis, MN, US) để tối ưu hóa hàm

mục tiêu. Sau đó, tiến hành thực nghiệm ở điều

kiện tối ưu với 3 lần lặp lại để xác định tính

tương thích của mô hình.

2.2.3. Các chỉ tiêu xác định đặc tính hóa lý

của pectin

- Độ este hóa của pectin: Chỉ số DE được xác

định theo phương pháp của Bochek & cs. (2001).

- Các chỉ tiêu: đương lượng (EW), chỉ số

methoxyl (MI), hàm lượng axit anhydrouronic

(AUA) được xác định theo phương pháp của

Yadav & cs. (2017).

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Mô hình hóa và tối ưu hóa quá trình

chiết xuất pectin từ vỏ quả chanh dây

3.1.1. Mô hình hóa quá trình chiết xuất

pectin bằng quy hoạch thực nghiệm

Kết quả ở bảng 2 cho thấy hiệu suất pectin

chiết xuất từ vỏ chanh dây nằm trong khoảng

giá trị từ 13,74-23,91%. Khi so sánh với các

nghiên cứu khác về chiết xuất pectin từ vỏ quả

chanh dây, hiệu suất pectin thu được của

nghiên cứu này cao hơn so với nghiên cứu của

Oliveira & cs. (2016) - đạt 12,67% trong điều

kiện có hỗ trợ của sóng siêu âm, pH 2, thời gian

10 phút. Nhưng thấp hơn so với kết quả của

Inayati & cs. (2018) - đạt giá trị cao nhất là

30,78% nhưng sử dụng dung môi là axit

hydrochloric nồng độ 0,02 N. Ngoài ra, công bố

của Canteri & cs. (2010), chiết xuất pectin từ vỏ

quả chanh dây vàng sử dụng dung môi axit

nitric, hiệu suất pectin dao động trong khoảng

16,4-24,9%. Như vậy, rõ ràng việc mô hình hóa

bằng quy hoạch thực nghiệm có tác dụng làm

tăng hiệu suất pectin thu nhận được khi sử

dụng dung môi axit citric.

Mặt khác, khi so sánh với nguồn nguyên liệu

truyền thống để chiết xuất pectin hiện nay là vỏ

cam thì hàm lượng pectin từ vỏ chanh dây cũng

không thấp hơn nhiều. Các nghiên cứu của

Kanmani & cs. (2014), Dehankar & cs. (2015),

El-Nawawi & cs. (1987), Mollea & cs. (2008) trên

vỏ quả cam thu được hiệu suất pectin cao nhất

đạt lần lượt là 29,41%, 21%, 30% và 25%. Sự

khác biệt này là do đặc tính tự nhiên của từng

loại quả như sự khác biệt về giống, địa điểm

trồng, điều kiện chăm sóc, độ chín thu hái của

từng loại quả đó, cùng với đó là việc sử dụng các

thông số chiết xuất khác nhau giữa các tác giả.

Kết quả phân tích ANOVA ở bảng 3 cho

thấy: giá trị F-value của mô hình bằng 51,78 và

giá trị P <0,001 chứng tỏ mô hình có ý nghĩa

(mô hình bậc hai này hoàn toàn phù hợp để mô

tả mối tương quan giữa hiệu suất thu hồi pectin

và các yếu tố thí nghiệm). Đồng thời, Lack of fit

có giá trị F-value = 2,68 cho thấy phần sai số

của mô hình là không có ý nghĩa thống kê

(P >0,05). Hơn nữa, mô hình có hệ số hồi quy

R2 = 0,9790. Kết quả này cho thấy có 97,9% số

liệu thực nghiệm tương thích với số liệu tiên

đoán của mô hình. Thêm vào đó, giá trị

Adjusted R2 = 0,9601 và Predicted R2 = 0,8663

càng chứng tỏ mô hình dự đoán rất sát với kết

quả thực nghiệm. Giá trị Adeq precision bằng

23,56 phản ánh mức độ chính xác của mô hình.

Sử dụng phương pháp bình phương tối

thiểu, đã xác định được mô hình phù hợp là mô

hình bậc hai và phương trình hồi quy có dạng

như sau:

Y = 23,3948 – 0,8142A + 1,8062B – 0,7002C

– 0,5975AB + 0,5750AC + 0,6175BC – 0,5847A2

– 2,4851B2 – 1,1292C2 (1)

Phương trình hồi quy (1) và kết quả phân

tích các hệ số hồi quy ở bảng 3 cho thấy cả 3 yếu

tố thí nghiệm và sự tương tác bậc 1, bậc 2 giữa 2

yếu tố đều có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất

thu hồi pectin. Cụ thể, yếu tố nhiệt độ có ảnh

hưởng theo tỉ lệ thuận và nó cũng có ảnh hưởng

mạnh mẽ nhất đến hiệu suất pectin (với hệ số

1,8062 cao hơn hẳn so với 0,8142 và 0,7002 của


799

A và C, tương ứng). Trong khi đó, yếu tố nồng độ

axit và thời gian chiết xuất lại có tương quan tỉ

lệ nghịch với hiệu suất pectin. Phần tương tác

bậc 1 của 2 yếu tố A × C, B × C và bậc 2 có tác

dụng làm tăng hiệu suất trong khi phần tương

tác bậc 1 của 2 yếu tố A × B và bậc 2 của A, B, C

lại làm giảm hiệu suất pectin.

3.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất

đến hiệu suất thu hồi pectin

a. Ảnh hưởng của cặp yếu tố nồng độ dung môi và

nhiệt độ chiết xuất đến hiệu suất thu hồi pectin

Để tối ưu hóa, trước hết cần xem xét sự

tương tác giữa từng cặp yếu tố đến hiệu suất

thu hồi pectin. Độ cong của bề mặt đáp ứng và

các đường đồng mức ở đồ thị hình 1(A) cho thấy

sự tương tác giữa nồng độ dung môi và nhiệt độ

có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất thu hồi

pectin. Cụ thể, ở khoảng giá trị cả nồng độ axit

và nhiệt độ đều thấp thì hiệu suất thu hồi thấp.

Khi nồng độ axit cao - nhiệt độ thấp thì hiệu

suất chỉ tăng nhẹ nhưng ở điều kiện ngược lại

thì hiệu suất lại tăng mạnh. Bề mặt đáp ứng

cũng cho thấy yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng nhiều

hơn đến hiệu suất pectin.

Sự tương tác này được giải thích như sau:

Khi nồng độ axit và nhiệt độ đều thấp, do liên kết

giữa các mạch polysaccharide trong vách tế bào

khó bị phá vỡ dẫn đến pectin khó thoát ra nên

hiệu suất thấp. Nhưng ở điều kiện nồng độ axit

thấp - nhiệt độ cao thì độ biến thiên nhiều là do

nhiệt độ tăng sẽ làm tăng cường phản ứng thủy

phân protopectin thành pectin hòa tan (Chan &

Choo, 2013). Tuy nhiên, khi nhiệt độ và nồng độ

axit đều tăng quá mức tối ưu thì cấu trúc của

pectin bị phân hủy, làm tăng khả năng phân cắt

các liên kết glycoside dẫn tới pectin không thể

kết tủa với cồn ethanol (Ziari & cs. 2010). Mặc dù

giá trị khác nhau nhưng xu hướng biến đổi này

tương đồng với kết quả của Girma & cs. (2016)

chiết xuất pectin từ vỏ quả xoài, Fakayode & cs.

(2018) chiết xuất pectin từ vỏ cam.

Bảng 2. Ma trận thực nghiệm RSM-CCD và hiệu suất thu hồi pectin

Run Yếu tố 1 Yếu tố 2 Yếu tố 3 Hàm mục tiêu

A: Nồng độ axit citric (%) B: Nhiệt độ (C) C: Thời gian (phút) Hiệu suất thu hồi pectin (%)

1 +1 -1 +1 16,52

2 0 + 0 18,81

3 0 0 0 22,93

4 0 0 + 19,36

5 0 0 0 23,61

6 +1 -1 -1 17,65

7 - 0 0 23,16

8 0 - 0 13,74

9 -1 -1 +1 14,97

10 -1 +1 -1 23,11

11 -1 -1 -1 19,83

12 0 0 0 22,82

13 0 0 0 23,91

14 0 0 0 23,37

15 0 0 - 20,86

16 + 0 0 20,14

17 +1 +1 -1 19,97

18 +1 +1 +1 19,88

19 -1 +1 +1 22,15

20 0 0 0 23,76


800

Bảng 3. Kết quả phân tích ANOVA cho mô hình bậc hai của quá trình chiết xuất pectin

Nguồn Tổng bình phương Trung bình bình phương F-value p-value

Mô hình 170,17 18,91 51,78 < 0,001

A: Nồng độ axit citric 9,05 9,05 24,79 < 0,001

B: Nhiệt độ 44,55 44,55 122,01 < 0,001

C: Thời gian 6,70 6,70 18,34 0,0016

AB 2,86 2,86 7,82 0,0189

AC 2,65 2,65 7,24 0,0226

BC 3,05 3,05 8,35 0,0161

A² 4,93 4,93 13,49 0,0043

B² 89,00 89,00 243,73 < 0,001

C² 18,38 18,38 50,32 < 0,001

Lỗi 3,65 0,3652

Lack of Fit 2,66 0,5319 2,68 0,1515

Pure Error 0,9920 0,1984

b. Ảnh hưởng của cặp yếu tố nồng độ dung môi và

thời gian chiết xuất đến hiệu suất thu hồi pectin

Độ cong yếu của bề mặt đáp ứng ở các đồ thị

hình 1(B) chứng tỏ sự tương tác giữa nồng độ

dung môi và thời gian chiết xuất có ảnh hưởng

không nhiều đến hiệu suất thu hồi pectin. Kết

quả cũng cho thấy chênh lệch ở các điều kiện

chiết xuất không có sự biến động lớn. Ở khoảng

giá trị nồng độ axit thấp và thời gian trung bình

thì hiệu suất thu được nằm trong vùng cao nhất.

Khi nồng độ axit thấp - thời gian dài và ngược

lại thì hiệu suất giảm nhẹ.

Dễ hiểu rằng thời gian kéo dài sẽ làm cho

cấu trúc mạch pectin mềm ra làm tăng cơ hội cho

các phản ứng thủy phân dẫn đến hiệu suất trích

ly tăng lên. Tuy nhiên, nếu sử dụng axit nồng độ

quá mạnh trong thời gian dài thì các chuỗi

polygalacturonic sẽ bị phân cắt triệt để, dẫn đến

hiệu suất thu hồi giảm. Garna & cs. (2007) khi

chiết pectin từ bã táo cũng cho thấy trong

khoảng giá trị khảo sát thì thời gian là yếu tố

ảnh hưởng không nhiều đến hiệu suất pectin.

c. Ảnh hưởng của cặp yếu tố nhiệt độ và thời

gian chiết xuất đến hiệu suất thu hồi pectin

Bề mặt đáp ứng và các đường đồng mức ở

đồ thị hình 1(C) cho thấy mức độ ảnh hưởng của

cặp yếu tố nhiệt độ và thời gian chiết xuất đến

hiệu suất thu hồi pectin. Một cách tổng quát có

thể thấy rằng cặp yếu tố này có ảnh hưởng khá

mạnh đến hàm mục tiêu, nó thể hiện bởi sự biến

thiên giá trị khá lớn trong miền khảo sát tối ưu.

Đồng thời, trong mối tương tác giữa nhiệt độ và

thời gian thì nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng mạnh

mẽ hơn đến hiệu quả chiết xuất. Kết quả cũng

cho thấy hiệu suất đạt miền cao nhất ở khoảng

nhiệt độ tương đối cao (79-83C) và thời gian

chiết xuất từ ngắn đến trung bình. Công bố của

Ermias & cs. (2016) cũng cho thấy khi chiết

xuất pectin từ vỏ quả xoài thì nhiệt độ cũng có

ảnh hưởng mãnh mẽ hơn so với thời gian và sự

tương tác giữa 2 yếu tố này làm cho hiệu suất

biến đổi khá mạnh trên bề mặt đáp ứng.

3.1.3. Xác định điều kiện tối ưu để chiết

xuất pectin từ vỏ chanh dây

Để tối ưu hóa hàm mục tiêu, sử dụng phương

pháp hàm kì vọng trên phần mềm quy hoạch

thực nghiệm Design Expert 11. Kết quả đã tìm

được điều kiện tối ưu để chiết tách pectin từ vỏ

chanh dây như sau: nồng độ axit citric 8,00%,

nhiệt độ 82,14C, thời gian 81,07 phút và hiệu

suất thu hồi là 24,42%. Sau đó, để kiểm tra lại,

tiến hành chiết xuất pectin sử dụng các thông số

tối ưu trên với 3 lần lặp lại và kết quả hiệu suất

thu hồi đạt được là 24,15%. Kết quả này lớn hơn

95% giá trị mà mô hình đã dự đoán. Như vậy, sự

sai lệch giữa mô hình và thực nghiệm không có ý

nghĩa thống kê. Điều đó chứng tỏ mô hình được

chọn lựa là hoàn toàn phù hợp và đã dự đoán một


801

cách thỏa đáng kết quả hiệu suất thu hồi pectin

từ vỏ quả chanh dây.

3.2. Xác định đặc tính hóa lý của pectin thu

nhận từ vỏ quả chanh dây

Đương lượng (EW) là chỉ tiêu vật lý đặc

trưng của pectin, nó quyết định đặc tính chức

năng của pectin, nó có mối quan hệ chặt chẽ tới

khả năng tạo gel của pectin. Trong một khoảng

giá trị nhất định, pectin có đương lượng cao thì

có hiệu quả tạo gel cao hơn và ngược lại. Tuy

nhiên, khi đương lượng quá cao thì gel pectin bị

quá cứng. Pectin có đương lượng quá thấp

nghĩa là có một phần pectin đã bị thoái biến

(Yandav & cs., 2017). Kết quả phân tích ở bảng

4 cho thấy chỉ số đương lượng của pectin từ vỏ

chanh dây nhỏ hơn so với pectin thị trường

nhưng không quá thấp. EW trong khoảng này

là một đặc điểm thuận lợi cho pectin khi ứng

dụng tạo màng bảo quản. Với đương lượng cao

1467,20 ± 17,43, pectin thị trường phù hợp cho

mục đích làm phụ gia thực phẩm (chất làm

đặc, chất tạo gel) trong các sản phẩm như mứt,

sữa chua, kẹo dẻo…

(A) (B)

(C)

Ghi chú: (A): Ảnh hưởng tương tác nồng độ dung môi và nhiệt độ; (B): Ảnh hưởng của tương tác nồng độ dung

môi và thời gian chiết xuất; (C): Ảnh hưởng của tương tác nhiệt độ và thời gian chiết xuất.

Hình 1. Ảnh hưởng của tương tác từng cặp yếu tố

đến hiệu suất thu hồi pectin từ vỏ chanh dây


802

Chỉ số DE của pectin chanh dây là

38,76 ± 1,52%, thấp hơn so với pectin thị trường

62,41 ± 1,58%. Chỉ số MI biểu hiện mức độ

methyl hóa, là phần trăm khối lượng nhóm

methoxyl (-OCH3) trên tổng khối lượng phân

tử. Kết quả bảng 4 cho thấy pectin chanh dây có

giá trị MI là 3,94 ± 0,13%, thấp hơn pectin thị

trường (8,07 ± 0,19%). Với kết quả chỉ số DE và

MI như vậy chứng tỏ pectin chiết xuất được

thuộc loại pectin LMP (Low Methoxyl Pectin)

(trong phân tử pectin có dưới 50% các nhóm axit

bị este hóa (DE ≤ 50% & MI ≤ 7%) và pectin thị

trường thuộc loại pectin HMP (High Methoxyl

Pectin, DE > 50% & MI > 7%). Pectin loại HMP

sẽ tạo gel trong môi trường có nồng độ đường cao

(cần nồng độ đường > 55% (w/w)) và axit (pH

thấp, từ 2-3,5). Trong khi, pectin loại LMP có

khả năng tạo gel mà không cần thêm đường, chỉ

cần sự có mặt của ion cation làm cross-linker

trong chuỗi galacturonic axit. Pectin có chỉ số

MI < 7% là loại pectin phù hợp cho mục đích tạo

màng vì nó có thể tạo gel không thuận nghịch

(Yapo & Koffi, 2014).

Chỉ số AUA xác định tổng hàm lượng axit

anhydrouronic. Chỉ số AUA để đánh giá độ tinh

sạch của pectin trong quá trình chiết xuất và nó

được khuyến cáo lớn hơn 65% (theo Food

Chemical Codex). Bảng 4 cho thấy pectin chiết

xuất từ vỏ chanh dây có chỉ số AUA lớn hơn 65%

và cao hơn chỉ số AUA của pectin thị trường.

Điều đó phản ánh độ tinh sạch khá cao của

pectin thu nhận được ở điều kiện tối ưu.

Các chỉ số L*, a*, b* ở bảng 4 cho thấy màu

sắc của pectin thị trường có phần sáng và trắng

hơn so với pectin vỏ chanh dây. Nguyên nhân là

do pectin thị trường đã được xử lý chất tẩy trắng

còn pectin chiết xuất trong nghiên cứu này

không xử lý chất tẩy trắng. Vì nghiên cứu này

muốn tạo ra loại pectin an toàn, hạn chế tối

thiểu dư lượng hóa chất trong quy trình chế tạo.

Tuy nhiên, xét về giá trị cảm quan, màu sắc của

pectin thu được từ vỏ quả chanh dây vẫn rất

phù hợp để tạo màng sinh học.

Như vậy, với 4/5 các đặc tính hóa lý thu

được có kết quả tốt hơn pectin thị trường về

khía cạnh ứng dụng tạo màng bảo quản sinh

học, chứng tỏ pectin chiết xuất ở điều kiện tối

ưu trên rất có tiềm năng cho ứng dụng tạo màng

bảo quản.

So sánh với các nghiên cứu liên quan,

Hosseini & cs. (2015) chiết xuất pectin từ vỏ

cam bằng phương pháp dung môi kết hợp vi

sóng, thu được pectin có DE cao nhất đạt 37,5%,

thuộc loại LMP. Theo Lim & cs. (2012), sử dụng

phương pháp dung môi và phương pháp enzyme

để chiết xuất pectin từ vỏ quả cam (Citrus

junos) có DE lần lượt là 41% và 46%, đều thuộc

loại LMP. Trong khi đó, theo Fakayode & cs.

(2018), pectin chiết xuất từ vỏ quả cam (Citrus

sinensis) có DE bằng 60,4%, lại thuộc loại HMP.

Còn Liew & cs. (2014) chiết xuất pectin từ vỏ

quả chanh dây bằng phương pháp dung môi,

pectin thu được có DE nằm trong khoảng 41,67-

67,31% phụ thuộc vào pH và thời gian chiết

xuất. Như vậy, rõ ràng đặc tính hóa lý của

pectin tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu, phương

pháp và điều kiện chiết xuất. Từ đó thu được các

loại pectin thuộc loại LMP hoặc HMP với các

đặc tính hóa lý khác nhau, sẽ phù hợp cho các

mục đích ứng dụng khác nhau.

3.3. Ảnh hưởng của điều kiện chiết xuất đến

độ este hóa của pectin từ vỏ quả chanh dây

3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ dung môi

đến độ este hóa của pectin

Sự thay đổi độ este hóa của pectin khi nồng

độ dung môi tăng theo các khoảng nhiệt độ và

thời gian khác nhau được thể hiện trên hình 2.

Kết quả cho thấy mức giá trị DE cao hay thấp

tùy thuộc vào điều kiện chiết xuất khác nhau.

Trong điều kiện nhiệt độ và thời gian cùng cao

hoặc cùng thấp thì khi nồng độ axit tăng dần sẽ

làm cho chỉ số DE giảm nhẹ. Còn DE giảm

mạnh nhất khi chiết xuất ở khoảng nhiệt độ cao

và thời gian ngắn. Ngược lại (ở nhiệt độ thấp và

thời gian dài) thì DE giảm không đáng kể. Như

vậy, các yếu tố thí nghiệm có sự tương tác mạnh

mẽ và ảnh hưởng rõ rệt đến độ este hóa của

pectin. Kết quả này cũng tương đồng với công bố

của Pinheiro & cs. (2008) khi nghiên cứu ảnh

hưởng của điều kiện chiết xuất đến chỉ số DE

của pectin thu nhận từ vỏ quả chanh dây vàng.


803

Bảng 4. Các chỉ tiêu hóa lý của pectin từ vỏ quả chanh dây và pectin thị trường

Chỉ tiêu hóa lý Pectinvỏ chanh dây Pectinthị trường

Đương lượng EW 586,92 ± 17,55 1467,20 ± 17,43

Độ este hóa DE (%) 38,76 ± 1,52 62,41 ± 1,58

Chỉ số methoxyl

MI (%)

3,94 ± 0,13 8,07 ± 0,19

Hàm lượng axit anhydrouronic (%) 76,58 ± 1,19 68,65 ± 1,02

Màu sắc

L* 50,01 ± 0,16 92,09 ± 0,26

a* 9,70 ± 0,54 0,14 ± 0,05

b* 15,83 ± 0,26 9,05 ± 0,34

Chú thích: Pectin vỏ chanh dây được chiết xuất ở điều kiện tối ưu: nồng độ axit citric 8,00%, nhiệt độ

82,14C, thời gian 81,07 phút. Tất cả các chỉ tiêu được lặp lại 3 lần. Số liệu được thể hiện dưới dạng

trung bình ± độ lệnh chuẩn.

(A) (B) (C)

(D) (E)

Ghi chú: (A) Nhiệt độ 75C, thời gian 70 phút; (B) Nhiệt độ 85C, thời gian 110 phút; (C) Nhiệt độ 80C, thời

gian 90 phút; (D) Nhiệt độ 85C, thời gian 70 phút; (E) Nhiệt độ 75C, thời gian 110 phút.

Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ axit citric đến chỉ số DE của pectin


804

3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết xuất


Sự thay đổi của chỉ số DE khi nhiệt độ tăng

theo các khoảng nồng độ axit và thời gian khác

nhau được thể hiện trên hình 3. Kết quả cho

thấy trong khoảng nồng độ axit thấp và thời

gian ngắn, khi nhiệt độ tăng dần sẽ làm chỉ số

DE tăng mạnh. Ngược lại, trong khoảng nồng độ

axit cao và thời gian dài thì khi nhiệt độ tăng lại

làm cho DE giảm mạnh. Ở khoảng trung tâm,

mức độ este hóa của pectin có xu hướng gần như

không thay đổi khi nhiệt độ tăng lên. Khi nồng

độ axit cao-thời gian ngắn, nhiệt độ tăng thì chỉ

số DE tăng nhẹ nhưng ở điều kiện ngược lại thì

chỉ số DE lại giảm dần. Như vậy, yếu tố nhiệt độ

có ảnh hưởng rõ rệt đến chỉ số DE của pectin và

ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ cũng chịu tác

động của 2 yếu tố thí nghiệm còn lại.

3.3.3. Ảnh hưởng của thời gian chiết xuất


Sự thay đổi chỉ số DE theo thời gian ở các

khoảng nồng độ axit và nhiệt độ khác nhau được

thể hiện trên hình 4. Kết quả cho thấy khi nồng

độ axit thấp - nhiệt độ thấp, thời gian tăng dần

thì chỉ số DE của pectin tăng. Ở nồng độ axit cao

- nhiệt độ cao và khoảng trung tâm, khi thời gian

tăng thì chỉ số DE gần như không thay đổi. Khi

nồng độ axit cao - nhiệt độ thấp, thời gian tăng

làm cho chỉ số DE tăng mạnh nhất, nhưng ở điều

kiện ngược lại thì chỉ số DE lại giảm. Như vậy,

thời gian chiết xuất có ảnh hưởng đáng kể đến

chỉ số DE của pectin chanh dây. Kết quả nghiên

cứu của Hosseini & cs. (2015, 2019) khi chiết

xuất pectin từ vỏ cam cũng cho thấy thời gian

biến đổi trong các điều kiện khác nhau sẽ làm

cho DE của pectin có giá trị khác nhau.

(A) (B) (C)

(D) (E)

Ghi chú: (A) Nồng độ axit 8%, thời gian 70 phút; (B) Nồng độ axit 12%, thời gian 110 phút; (C) Nồng độ axit

10%, thời gian 90 phút; (D) Nồng độ axit 12%, thời gian 70 phút; (E) Nồng độ axit 8%, thời gian 110 phút.

Hình 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ chiết xuất đến chỉ số DE của pectin


805

(A) (B) (C)

(D) (E)

Ghi chú: (A) Nồng độ axit 8%, nhiệt độ 75C; (B) Nồng độ axit 12%, nhiệt độ 85C; (C) Nồng độ axit 10%, nhiệt

độ 80C; (D) Nồng độ axit 12%, nhiệt độ 75C; (E) Nồng độ axit 8%, nhiệt độ 85C.

Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian chiết xuất đến chỉ số DE của pectin

4. KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đã cho thấy các yếu tố nồng

độ axit citric, nhiệt độ, thời gian chiết xuất và sự

tương tác giữa chúng đều có ảnh hưởng rõ rệt

đến hiệu suất thu hồi pectin từ vỏ quả chanh

dây, trong đó nhiệt độ chiết xuất là yếu tố có ảnh

hưởng lớn nhất. Đồng thời, nghiên cứu đã tìm

được mô hình bậc 2 hoàn toàn phù hợp với quá

trình chiết xuất pectin từ vỏ quả chanh dây tía.

Kết quả cũng đã xác định được điều kiện tối ưu

để chiết xuất pectin từ vỏ chanh dây như sau:

nồng độ axit citric 8,00%, nhiệt độ 82,14C, thời

gian 81,07 phút và hiệu suất thu hồi đạt 24,42%.

Pectin chiết xuất ở điều kiện tối ưu có đặc tính

hóa lý phù hợp với mục đích tạo màng bảo quản,

mở ra một hướng ứng dụng tiềm năng cho loại

pectin này. Cuối cùng, điều kiện chiết xuất khác

nhau làm thay đổi độ este hóa của pectin.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bochek A.M., Zabivalova N.M. & Petropavlovskii G.A. (2001). Determination of the esterification degree of polygalacturonic axit . Russian Journal of Applied Chemistry. 75: 796-799.

Canteri M.H.G. & Fertonani H.C.R. (2010). A comparative study of pectin extracted from passion fruit rind flours. Journal of Poly Environment. 18: 593-599.

Chan S.Y. & Choo W.S. (2013). Effect of extraction conditions on the yield and chemical properties of pectin from cocoa husks. Food Chemistry. 141(4): 3752-3758.


806

Dehankar P.B., Mane P. & Mane J. (2015). Recycling of orange peels as pectin-A valuable product. International Journal of Informative & Futuristic. 2(9): 3041-3048.

El-Nawawi S.A. & Shehata F.R. (1987). Extraction of pectin from Egyptian orange peel. Factors affecting the extraction. Biological Wastes. 20(4): 281-290.

Fakayode O.A. & Abobi K.E. (2018). Optimization of oil and pectin extraction from orange (Citrus sinensis) peels: a response surface approach. Journal of Analytical Science. 9: 20.

Garna H., Mabon N., Robert C., Cornet C., Nott K. & Paquot M. (2007). Effect of extraction conditions on the yield and purity of apple pomace pectin precipitated but not washed by alcohol. Journal of Food Science. 72 (1): 1-9.

Girma E. & Worku T. (2016). Extraction and characterization of pectin from selected fruit peel waste. International Journal of Scientific Publications. 6(2): 447-454.

Hosseini S.S., Khodaiyan F. & Yarmand M.S. (2015). Optimization of microwave assisted extraction of pectin from sour orange peel and its physicochemical properties. Carbohydrate Polymers. 140: 59-65.

Hosseini S.S. (2019). Optimization and characterization of pectin extracted from sour orange peel by ultrasound assisted method. International Journal of Biological Macromolecules. 125: 621-629.

Inayati Puspita R.I. & Fajrin V.L. (2018). Extraction of pectin from passion fruit rind (Passiflora edulis var. flavicarpa Degener) for edible coating. AIP Conference Proceedings. Doi: 10.1063/1.5024061

Kanmani P., Dhivya E., Aravind J. & Kumaresan K. (2014). Extraction and analysis of pectin from citrus peels: augmenting the yield from citrus limon using statistical experimental design. Iranica Journal of Energy & Environment. 5(3): 303-312.

Kliemann E., Simas K.N. & Amante E. (2019). Optimisation of pectin axit extraction from passion fruit peel (Passiflora edulis flavicarpa) using response surface methodology. International Journal of Food Science. 44: 476-483.

Levigne S., Ralet M. & Thibault J.F. (2002). Characterisation of pectins extracted from fresh sugar beet under different conditions using an experimental design. Carbohydrate Polymers. 49 (2): 145-153.

Liew S.Q., Chin N.L. & Yusof Y.A. (2014). Extraction and characterization of pectin from passion fruit peels. Agriculture and Agricultural Science Procedia. 2: 231-236.

Lê Văn Hà, Nguyễn Hùng Sơn, Nguyễn Xuân Trạch, Bùi Quang Tuấn & Trần Hiệp (2020). Tiềm năng sử dụng vỏ chanh leo làm thức ăn cho gia súc nhai lại. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Chăn nuôi. 107: 49-50.

Lim J., Yoo J., Ko S. & Lee S. (2012). Extraction and characterization of pectin from Yuza (Citrus junos) pomace: A comparison of conventional-chemical and combined physical-enzymatic extractions. Food Hydrocolloids. 29: 160-165.

Mollea C., Chiampo F. & Conti R. (2008). Extraction and characterization of pectins from cocoa husks: A preliminary study. Food Chemistry. 107(3): 1353-1356.

Oliveira F., Giordani C., Lutckemier R., Gurak P.D., Cladera-Olivera F. & Marczak L.D. (2016). Extraction of pectin from passion fruit peel assisted by ultrasound. LWT-Food Science and Technology. 71: 110-115.

Pinheiro E.R., Silva I.A. & Amboni D.M.C. (2008). Optimization of extraction of high-ester pectin from passion fruit peel (Passiflora edulis flavicarpa) with citric axit by using response surface methodology. Bioresource Technology. 99: 5561-5566.

Ranganna S. (2001). Pectin: handbook of analysis and quality control for fruit and vegetable products. USA: Tata McGraw-Hill Publishing. pp. 31-47.

Thakur B.R., Singh R.K. & Handa A.K. (1997). Chemistry and uses of pectin-a review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 37(1): 47-73.

Tran Hiep, Bui Quang Tuan, Le Viet Phuong, Nguyen Hung Son, Le Van Ha & Nguyen Xuan Trach (2020). Passion fruit (Passiflora edulis) peel as feed for ruminants in Vietnam: Quantification, chemical composition and posibility to make silage. Livestock Research for Rural Development. 32 (3) Article #35. http://www.lrrd.org/lrrd32/ 2/trach32035.html.

Van Buren & Walter R.H. (1991). The chemistry and technology of pectin. Academic Press, Inc. San Diego, California. pp. 92-101.

Yadav S.D., Bankar N.S., Waghmare N.N. & Shete D.C. (2017). Extraction and characterization of pectin from sweet lime. 4th International Conference on Multidisciplinary Research & Practice. pp. 58-63.

Yapo B.M. & Foffi K.L. (2014). Extraction and characterization of highly gelling low methoxy pectin from cashew apple pomace. Foods. 3: 1-12.

Ziari H., Ashtiani F.Z. & Mohtashamy M. (2010). Comparing the effectiveness of processing parameters in pectin extraction from apple pomace. Afinidad. 67: 374-379.

Documents

XÁC ĐỊNH ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHIẾT XUẤT PECTIN VÀ ẢNH …